激光冷却控制技术实现新突破 为量子器件制备提供方向
2017-06-02 来自: 西安天和实验室设备有限公司 浏览次数:1020
美国国家标准技术研究所（NIST）的物理学家们采用和原子钟实验中一样的逻辑，找到了控制单个带电分子，或者离子团（molecular ions）的量子性质的方法。
这项新技术达成了一个难以触及的目标：使分子在激光冷却下的可控度达到了和原子相当的水平。对原子的量子态控制曾使原子物理领域发生翻天覆地的变化，也为原子钟一类的应用打下基垫。但是，将激光冷却技术（lasercooling）应用到结构更复杂的分子上是一件挑战的任务。
NIST 发明的这项新技术仍用到了激光——但只用来轻触分子，并不扰乱它的量子态，从而做到精确控制离子团，实现放大信号、测量电子分布平均度、激发化学反应以及提高量子信息的处理效率。
5月11日，NIST的Boulder小组在《自然》杂志发表了这项研究。同组人员于1978年次演示了单原子离子的激光冷却。
“我们研制出的方法可以应用于多种分子，”NIST物理学家周清文（James Chinwen Chou）说，“现有的任何在原子上可实行的操控，都可以应用到分子上。”
周清文补充道：“这和人们次发现原子的控制方法一样有意义。无论是在精确计量学还是信息处理领域，激光冷却原子使其陷入势井的方法，打开了无数应用的大门。实现同等的对分子的控制一直是我们的梦想。”
和原子相比，分子由于具有不同电子能级、振动频率和角动量而体现出更复杂的结构。由多个原子成键而形成的分子可能和DNA链式结构一样长，有时长度可以超过一米。
这项研究在实验上的一大创举，就是使用了间接探测的方法来测量离子团的量子态，即把离子团的信息传递到另一个原子离子上。这样一来，就可以用已经成熟的技术进行测量，随后倒推出分子离子的量子态。
这样的实验构架灵感源于 NIST 量子逻辑钟，而这样的实验方式的好处就是能够在不破坏分子离子量子态的前提下完成探测。
在具体操作中，NIST研究人员动用了现有的各种仪器资源，包括2004年的量子传送实验中用到的负电子井。他们还从现进行的量子逻辑钟实验室借来了激光设备。
研究人员在含有两个钙离子（仅有微米间隔）的高真空腔中缓慢注入氢气，直到形成由一个钙离子和一个氢原子组成的CaH+离子团。
在如此近的距离下，两个离子因原子间作用产生的引力以及因电荷产生斥力，且在同一轴上，最终产生了一种类似弹簧的运动效果。
研究人员随后用激光束冷却其中一个单原子离子；整个离子团也会由于中间的分子键的存在而冷却至最低的能级状态。在室温下，其电子轨道能级是和振动状态是最低的，但仍保留了一定的角动量。
在下一步，研究人员使用红外激光脉冲，在不改变离子团振动能级的前提下，使分子跃迁到一个特定的转动能级（总共有100多个）。这个跃迁会在共运动中加入一个光子的能量。
研究者们接着再次使用激光束，把共运动能量的变化转换为原子离子的内部能级变化。这样的能级变化将使得原子离子散射光线（scattering），进而指示出分子离子的状态变化。
这样，研究者通过控制发射激光角动量，同时根据散射光线角动量带来的反馈信息，不断调整离子团的角动量，直到达到预定的特定状态。
这项新技术应用范围十分广泛。虽然之前NIST旗下的实验天体物理联合研究所（JILA）也曾使用激光操控带电的分子云，但这项新技术可应用的离子团更为广泛，可操作方式也更多。
在量子信息转化和存储方面，离子团能够比单原子离子提供更多选择。例如，能够用更灵活多样的办法向超导体等硬件分布量子信息。
文章的senior auther*迪特里希·莱布弗里德（Dietrich Leibfried）表示：“使用同样的设备，这种方法能广泛地用来测量许多不同的分子。NIST的基本目标之一就是发明能让其他研究者也能使用的精确测量方法。”。
最后周清文表示，这项技术还可以用来解决更深层次的物理问题，比如自然中的基本“常量”是否会随时间变化。实际上CaH+离子团就是回答这一疑问的候选人之一。另外，测量电子的电偶极矩（一种表示电子分布均衡度的特质）时，这种能够精确地同步控制上百个离子的方法可以对于统计科学家来说无疑是巨大的福音。
编辑点评
利用激光和原子的相互作用减速原子运动以获得超低温原子的高新技术——激光冷却技术（lasercooling），目前属于最前沿的科学技术，被广泛应用在在半导体材料、液体等方面，超高的低温院子冷却技术解决了诸多技术难题。